王傳興，李東陽，劉軍凱，高傳慧，武玉民(青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東青島 266042)

亞甲基丁二酰氯的合成研究

王傳興，李東陽，劉軍凱，高傳慧，武玉民
(青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東青島 266042)

以亞甲基丁二酸(衣康酸)為原料，采用五氯化磷為酰氯化試劑，通過熔融法合成了亞甲基丁二酰氯(衣康酰氯)。研究了反應(yīng)物原料配比、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度等因素對產(chǎn)物收率和純度的影響，并且對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進行了紅外光譜和核磁氫譜的表征。結(jié)果表明，在衣康酸和五氯化磷物質(zhì)的量比為1∶2.2，溫度110 ℃的條件下反應(yīng)2 h，亞甲基丁二酰氯的收率可達到86%，純度達到94%以上。

亞甲基丁二酰氯；衣康酸；五氯化磷；熔融

酰氯是重要的有機合成中間體，在農(nóng)藥、醫(yī)藥、資源環(huán)境等方面有著廣泛的應(yīng)用。近年來，亞甲基丁二酰氯在多種酰胺的研究與生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，市場有一定需求量，且價格昂貴。因此，對其合成工藝的研究具有較高的學(xué)術(shù)價值，及其規(guī)模生產(chǎn)具有顯著的經(jīng)濟價值，選擇一種既高效又綠色的酰氯合成方法尤為重要。

制備酰氯最常見的方法有光氣法、五氯化磷法、氯化亞砜法、氯代烴法及三氯化磷法[1]。光氣毒性較大，存儲和使用時都存在危險；五氯化磷法需要先將反應(yīng)物溶解于有機溶劑中，消耗大量溶劑，且產(chǎn)物不宜提純，消耗較高成本卻得到較低收率；氯化亞砜成本太高，對設(shè)備腐蝕嚴重，不適合工業(yè)化生產(chǎn)；氯代烴法所生成的有機副產(chǎn)物的混合物難以處理，分離操作費用高，不符合環(huán)境政策的要求；三氯化磷沸點低，易揮發(fā)，產(chǎn)品損失較大[2-3]。因此，本研究探討用五氯化磷-衣康酸熔融法制備亞甲基丁二酰氯的工藝，考察了物料配比、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度等條件對酰氯化反應(yīng)的影響，尋求合成過程的最優(yōu)條件，并對產(chǎn)物結(jié)構(gòu)進行表征。對于亞甲基丁二酰氯的合成研究，目前國內(nèi)仍處于探索階段，還未找到更合適有效的方法。五氯化磷-衣康酸熔融法制備亞甲基丁二酰氯，不需要溶劑，操作簡單，產(chǎn)品收率和純度高，而且便于分離，既高效又環(huán)保。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

B-260恒溫油浴鍋(DF-101S，上海亞榮生化儀器廠)、PL2002電子天平(JYT-5，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)、溫度計(1843，浙江椒江市玻璃儀器廠)、傅里葉紅外光譜儀(Bruker Tensor 27，德國布魯克公司)、核磁共振譜儀(Bruker AC500MHz，德國布魯克公司)。

五氯化磷(AR，北京精華耀邦醫(yī)藥科技有限公司)、衣康酸(AR，國藥集團化學(xué)試劑有限公司)、氫氧化鈉(AR，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司)、氯化氫(AR，煙臺三和化學(xué)試劑有限公司)。

1.2 試驗方法

在干燥的四口燒瓶中準(zhǔn)確稱量反應(yīng)量的衣康酸和五氯化磷，搖動燒瓶使其充分混合后，連接攪拌和回流冷凝裝置，冷凝器頂部連接尾氣吸收裝置[4-5]。反應(yīng)物溶解后，攪拌升溫至110 ℃，反應(yīng)2 h，然后通入氮氣進行吹掃。再減壓蒸餾出三氯氧磷，倒出產(chǎn)物，冷卻，稱量，計算產(chǎn)品收率和純度[6-7]。

反應(yīng)方程式如式(1)所示，亞甲基丁二酰氯合成路線如圖1所示。

圖1 亞甲基丁二酰氯合成路線

Fig.1Syntheticrouteof2-methylidenebutanedioyldichloride

1.3 產(chǎn)物的表征方法

1.3.1 紅外光譜分析 采用德國Bruker公司生產(chǎn)的Bruker Tensor 27型傅里葉紅外光譜儀進行測試。

1.3.2 核磁共振氫譜分析 采用德國Bruker公司生產(chǎn)的Bruker AC500MHz核磁共振儀進行測試，CDCl3為溶劑。

1.4 衣康酰氯純度的測定

采用堿溶中和法測定衣康酰氯的含量[8]。將衣康酰氯在過量的堿性溶液中加熱回流，使其水解，冷卻后用酸回滴過量的堿來確定衣康酰氯的含量。游離酸可用中和法滴定扣除[9]。反應(yīng)方程式如式(2)、(3)所示:

總酰氯含量的計算:

x=c1V1-c2V2m1×M/4 000×100%

游離酸含量的計算:

y=c3V3-c3V4m2×M/4 000×100%

式中:c1為堿溶用NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，mol/L;V1為堿溶用NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；c2為HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，mol/L；V2為消耗HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL；c3為滴定游離酸用NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，mol/L；V3為滴定游離酸消耗NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；V4為空白試驗消耗NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；M為衣康酰氯的摩爾質(zhì)量,g/mol；m1為滴定總酰氯含量時所用衣康酰氯樣品質(zhì)量，g；m2為滴定游離酸時所用衣康酰氯樣品質(zhì)量，g。

樣品中衣康酰氯含量(純度)為[10]:

C=x-y

2 結(jié)果與討論

2.1 原料配比對反應(yīng)的影響

理論上n(五氯化磷)/n(衣康酸)為2∶1，但是，考慮到五氯化磷并未全部參加反應(yīng)，因此在反應(yīng)時間(1.5h)、反應(yīng)溫度(110 ℃)不變的條件下，改變n(五氯化磷)/n(衣康酸)，分析其對產(chǎn)品收率及純度的影響[11-12]，結(jié)果如圖2所示。

圖2 原料配比對純度和收率的影響

Fig.2Effectoftheratioofrawmaterialsonpurityandyield

由圖2可知，n(五氯化磷)/n(衣康酸)的最佳配比為2.2∶1左右。根據(jù)化學(xué)方程式可n(五氯化磷)/n(衣康酸)為2.0∶1時，理論上可以完全取代羧酸中的羥基而變?yōu)轷Ｂ?，但由于反?yīng)過程中尤其是熔融時會有部分五氯化磷被蒸出，所以需要五氯化磷過量才能保證反應(yīng)完全。但是五氯化磷用量過多收率也不會有明顯增加，考慮到經(jīng)濟因素，所以，最佳的n(五氯化磷)/n(衣康酸)為2.2∶1。產(chǎn)品純度隨原料配比的變化也較為明顯，呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，在最佳配比的條件下產(chǎn)品純度可達93%以上。

2.2 反應(yīng)時間對反應(yīng)的影響

在n(五氯化磷)/n(衣康酸)為2.2∶1時，固定反應(yīng)溫度(110 ℃)，考察反應(yīng)時間對產(chǎn)品收率及純度的影響[11-12]，結(jié)果如圖3所示。

圖3 反應(yīng)時間對純度和收率的影響

Fig.3Effectofthereactiontimeonpurityandyield

由圖3可知，隨時間延長，收率先增加后減少。在1.5 h內(nèi)收率提升最快，這段時間是反應(yīng)的黃金時間，因為在此期間底物濃度還比較高，反應(yīng)速度要快得多。延長反應(yīng)時間可使反應(yīng)更充分，從而提高收率。但是隨著反應(yīng)時間的延長，收率維持在85%左右，提升空間不大，反而會引起部分酰氯分解，并容易發(fā)生自聚反應(yīng)，使收率下降。綜合起來，反應(yīng)2 h為最佳。產(chǎn)品純度隨時間的變化趨勢與收率的變化趨勢基本一致，在最佳反應(yīng)時間下產(chǎn)品純度可達94%以上。

2.3 反應(yīng)溫度對反應(yīng)的影響

在n(五氯化磷)/n(衣康酸)為2.2∶1，反應(yīng)時間為2 h，考察反應(yīng)溫度對產(chǎn)品收率及純度的影響[13]，結(jié)果如圖4所示。

圖4 反應(yīng)溫度對純度和收率的影響

Fig.4Effectofthereactiontemperatureonpurityandyield

由圖4可知，隨著溫度升高收率先增加后降低。因為溫度較低時衣康酸活化不充分，導(dǎo)致酰氯化反應(yīng)進行的不徹底，因此升高溫度可使酰氯化反應(yīng)進行得更加充分；但是溫度過高，自聚的可能性增加，形成低分子的聚合物，從而使收率下降。故選擇110 ℃為一個合適的反應(yīng)溫度。產(chǎn)品純度隨著溫度的升高先呈現(xiàn)上升趨勢，在溫度超過110 ℃時，可以明顯看到純度的下降趨勢明顯，在110 ℃時產(chǎn)品的純度可達到94%以上。

2.4 產(chǎn)物的表征

圖5 產(chǎn)品的紅外光譜圖

Fig.5IRspectrumofproduct

2.4.2 核磁氫譜分析 圖6為亞甲基丁二酰氯的核磁氫譜。圖譜中的3組共振吸收峰表明存在3種質(zhì)子，積分曲線表明3組峰的質(zhì)子數(shù)比為1∶1∶2，碳碳雙鍵平面外側(cè)，感應(yīng)磁場與外磁場方向一致，為去屏蔽區(qū)，位于去屏蔽區(qū)的核發(fā)生核磁共振需要較小的外磁場強度，吸收峰向低場移動，所以連在雙鍵上的氫，因為位于去屏蔽區(qū)，化學(xué)位移值比烷烴中氫的化學(xué)位移值大。而酰鹵基團是給電子集團，增強了核外電子產(chǎn)生的感應(yīng)磁場，使屏蔽作用增強，核的共振吸收向高場移動，故化學(xué)位移值減小。而亞甲基丁二酰氯的分子結(jié)構(gòu)正好與譜圖的特征相符，所以所得化合物為亞甲基丁二酰氯。

圖6 產(chǎn)品的核磁共振氫譜

Fig.61H-NMRspectrumoftheproduct

3 結(jié)論

以衣康酸和五氯化磷為原料，采用混合熔融法制備了亞甲基丁二酰氯。實驗結(jié)果表明，在衣康酸和五氯化磷物質(zhì)的量比為1∶2.2，溫度為110 ℃的條件下反應(yīng)2 h，亞甲基丁二酰氯的收率和純度最高，收率達到86%，純度達到94%以上。此合成方法操作簡單，條件溫和，副產(chǎn)物可重復(fù)利用，達到了高效環(huán)保的技術(shù)要求。

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(編輯 閆玉玲)

Synthesis of 2-Methylidenebutanedioyl Dichloride

Wang Chuanxing, Li Dongyang, Liu Junkai, Gao Chuanhui, Wu Yumin
(CollegeofChemicalEngineering,QingdaoUniversityofScienceandTechnology,QingdaoShandong266042,China)

2-methylidenebutanedioyl dichloride(Itaconyl chloride)was synthesized using itaconic acid and phosphorus pentachloride as raw materials by melting method.The effect of raw material ratio, reaction time, temperature and other process conditions on yield of product was examined.The structure of the product was characterized by IR and1H-NMR .The experiments showed that, when the itaconyl chloride and phosphorus pentachloride molar ratio was 1∶2.2, reaction temperature was 110 ℃ and reaction time was 2 h, the yield of 2-methylidenebutanedioyl dichloride can reach 86% and its purity was more than 94%.

2-Methylidenebutanedioyl dichloride; Itaconic acid; Phosphorus pentachloride; Melting

1006-396X(2014)06-0007-04

2014-09-12

:2014-10-28

國家自然科學(xué)基金青年基金(21306094)；山東省教育廳項目(J13LD15)；青島市科技項目(13-1-4-258-jch)。

王傳興(1978-)，男，博士，副教授，從事高分子材料的研究；E-mail:15153216465@163.com。

武玉民(1964-)，男，博士，教授，從事新型高分子材料、綠色化工的研究；E-mail:wuyumin005@163.com。

TQ222

: A

10.3969/j.issn.1006-396X.2014.06.002